DE102016116608A1

DE102016116608A1 - Lineares Laserschweißen von rohrförmigen Kunststoffelementen

Info

Publication number: DE102016116608A1
Application number: DE102016116608.1A
Authority: DE
Inventors: Manfred Großhardt; Markus Fieber; Felix Abicht
Original assignee: Invendo Medical GmbH
Current assignee: Invendo Medical GmbH
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2016-09-06
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier, schlauch- oder rohrförmig ausgebildeter Fügepartner aus Kunststoff. Dabei werden mit vergleichsweise hoher Laserleistung und auf Basis geeigneter Material-Absorptionsraten bzw. Transmissionsraten die Fügepartner mit einer Linearbewegung des Laserstrahls in ihrer vollen Umfangserstreckung miteinander stoffschlüssig verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen von zwei rohrförmigen Fügepartnern aus Kunststoff, bei dem ein erster Fügepartner auf einen zweiten Fügepartner aufgeschoben wird, um im Bereich in dem sich die beiden Fügepartner überlappen eine Fügezone (Fügebereich) zu bilden, die mithilfe eines linear (im Sinne von nicht der Umfangslinie der Fügezone unmittelbar folgend) geführten Laserstrahls zumindest teilweise verschweißt wird.
Hintergrund der Erfindung
Laserschweißverfahren gewinnen im Bereich der Fügeverfahren insbesondere von Kunststoffelementen zunehmend an Bedeutung. So auch im Bereich des Fügens von rohr- bzw. schlauchförmigen Kunststoffelementen, wo Laserschweißverfahren nach und nach die herkömmlichen Fügeverfahren, wie z.B. Kleben oder Reibschweißen ersetzen. Vorteile der Laserschweißverfahren sind ihre hohe Präzision, leichte Automatisierbarkeit sowie die Unabhängigkeit von zusätzlichen Fügemitteln. Gegenüber anderen Schweißverfahren zeichnet sich das Laserschweißen insbesondere durch den geringeren Wärmeeinfluss und die damit verbundene geringere Auftrittswahrscheinlichkeit von Gefügeveränderungen/Spannungsbildung aus. Außerdem wird wenig Mateiral verdampft und somit Verunreinigungen innerhalb der Kunststoffelemente vermieden. Dabei hat sich vor allem das Laserdurchstrahl- Kunststoffschweißen zum Verbinden zweier sich überlappender Kunststoffelemente durchgesetzt.
Stand der Technik
Dieses ist beispielsweise aus der DE 44 32 081 A1 bekannt. Bei dem Verfahren dringt Bearbeitungsstrahlung mit nur geringer Dämpfung durch einen transmissiven Fügepartner in eine Fügezone ein und wird von einem absorbierenden Fügepartner absorbiert. Aufgrund der daraufhin stattfindenden Temperaturerhöhung im Material wird dieses im Bereich der Schnittstelle zwischen den Fügepartnern plastifiziert, sodass sich die Schmelzen beider Fügepartner durchmischen können und ein Stoffschluss zwischen diesen entsteht.
Aus der DE 10 2008 038 014 A1 ist ein Laserdurchstrahl-Kunststoffschweiß-Verfahren bekannt, bei dem ein Transmissionsprofil verwendet wird, um einen Fügeprozess entlang einer Kontur zu steuern und aus der DE 10 2011 081 554 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Fügepartner aus Kunststoff bekannt, bei dem die Laser- Leistungsdichte in Richtung einer Nahttiefe in der Schweißzone moduliert wird.
Aus der US 2010/030 102 2 A1 ist eine Methode zum Laserschweißen zweier transparenter Fügepartner aus Kunststoff bekannt, bei der an der Fügezone ein laserabsorbierendes Coating appliziert wird um die Laserstrahlung in Wämeenergie umzuwandeln.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Kunststoff-Laserschweißverfahren haben sämtlich den Nachteil, dass zum Erzeugen einer umfangsseitigen Schweißnaht zwischen zwei rotationssymmetrischen, rohrförmigen Fügepartnern, der Laserstrahl einmal über die gesamte Umfangserstreckung der Fügezone/Fügebereich geführt werden muss, d.h. entweder die beiden Fügepartner müssen während des Verschweißvorgangs einmal um ihre eigene Achse gedreht werden oder der Laser muss einen ganzen Kreisbogen um die Fügepartner fahren. Dies macht zum einen aufwendige, kostspielige Führungs-/Handlingseinrichtungen bzw. Werkzeuge für den Laserstrahl oder die zu fügenden Elemente notwendig und zieht zum anderen längere Verfahrenszeiten nach sich.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Schwierigkeit beim Laserschweißen von, insbesondere rotationssymmetrischen, Kunststoffbauteilen, ist das Aufbringen eines ausreichenden und gleichmäßigen Füge- bzw. Verdichtungsdrucks auf die beiden Fügepartner während des Schweißvorgangs. Hierzu sind beispielsweise aus dem Bereich des ‚Automated Fiber Placements‘ Kompaktierungsrollen bekannt, welche hinter dem Laserstrahl geführt werden um einen Fügedruck auf die noch plastifizierte Verbindungsstelle zwischen den Fügepartnern aufzubringen und somit eine hochwertige stoffschlüssige Verbindung sicherzustellen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Angesichts des vorstehend genannten Stands der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Laserschweißen von hohlprofilförmigen, insbesondere rohrförmigen Fügepartnern aus Kunststoff bereitzustellen, welches unter einfachster Führung des Lasers eine qualitativ hochwertige, bevorzugt fluiddichte, stoffschlüssige Verbindung mit vergleichsweise kurzen Verfahrenszeiten erzeugt.
Weiter macht es sich die vorliegende Erfindung zur bevorzugten Aufgabe, eine hochwertige Schweißverbindung ohne den Einsatz zusätzlicher Haftvermittler oder Absorptionscoatings bereitzustellen.
Die vorstehend genannten Aufgaben und Ziele werden in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein weiteres bevorzugtes Ziel vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, um einen ausreichenden und gleichmäßigen Fügedruck auf die Schweißnaht während des Verschweißens bereitzustellen. Hierzu sind die Ansprüche 9 und 10 aus verfahrenstechnischer Sicht und der Anspruch 11 aus vorrichtungstechnischer Sicht zielführend.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird demzufolge ein Verfahren zum Laserschweißen zweier im Wesentlichen rohr- bzw. schlauchförmiger Fügepartner aus Kunststoff vorgeschlagen. Hierzu wird zunächst ein erster rohrförmiger Fügepartner auf einen zweiten Fügepartner axial aufgeschoben bzw. mit einer axialen Stirnseite über den zweiten Partner gestülpt, um im Bereich, in dem die beiden Fügepartner sich axial überlappen, eine umlaufende Fügezone (Fügebereich) zu bilden, die dazu vorgesehen ist, mit einem Laser (zumindest teilweise) verschweißt zu werden. Dabei sind die Fügepartner vorzugsweise so angepasst, dass der Außendurchmesser des zweiten Fügepartners nach dem Aufschieben an dem Innendurchmesser des ersten Fügepartners umfangsseitig komplett anliegt. Der erste (äußere) Fügepartner ist zudem erfindungsgemäß, zumindest im Bereich der Fügezone, so angepasst, dass er gegenüber einem zum Verschweißen eingesetzten Laser im Wesentlichen (nahe oder gleich 100%) transparent bzw. transmissiv ist und der zweite (innere) Fügepartner ist erfindungsgemäß so angepasst, dass er zumindest im Bereich der Fügezone gegenüber dem Laserstrahl halb-/teiltransparent ist, d.h., dass er nur einen gewissen Anteil der Laserstrahlung absorbiert und sich dadurch lokal erhitzt und einen gewissen (überwiegenden, ab nicht kompletten) Anteil der Laserstrahlung hindurchlässt. Das Anpassen der Transparenz der Fügepartner kann z.B. über Einfärben bzw. Einarbeiten absorptionsfördernder Additive in das Material erfolgen.
Durch die oben beschriebene Anpassung der Material-Absorptionsraten des ersten und zweiten Fügepartners sowie eine gezielte Auswahl der zum Verschweißen genutzten Laserleistung (und optional der Laserbewegungs-/Vorschubgeschwindigkeit relativ zur Fügezone), wird es ermöglicht, dass in einem nächsten Verfahrensschritt die beiden rohrförmig ausgebildeten Fügepartner, durch eine (vorzugsweise einzige) im Wesentlichen translatorische (im Sinne von geradlinige/im Wesentlichen ungekrümmte) Verfahrbewegung des Lasers und/oder der Fügezone (bzw. eines Werkzeugs, auf welchem die beiden Fügepartner gehalten sind) während des Verschweißvorgangs, eine komplette Umfangsschweißung erfahren, d.h. dass der Laserstrahl während einer (vorzugsweise einzigen) translatorischen Relativbewegung (einmalig in nur eine Richtung ohne Umkehrung) zwischen Laserstrahl und Fügezone einen solchen Energieeintrag in die beiden in Laserstrahlrichtung beabstandeten Schweißstellen gleichzeitig einbringt, dass die komplette kreisförmige Querschnittsfläche der Fügezone durchstrahlt/durchleuchtet bzw. mit dieser wechselwirkt und dadurch eine (vollständige) Umfangsschweißung erzielt wird. In anderen Worten, werden der erste und der zweite Fügepartner erfindungsgemäß in ihrer gesamten Umfangserstreckung miteinander verschweißt, ohne dass die Fügezone oder der Laserstrahl eine Bewegung mit Rotations-/Kreisbogenkomponente durchführen müssen.
Um dies praktikabel zu machen, werden die Laserleistung und die Absorptivität/Transmissivität des zweiten Fügepartners so gewählt/angepasst, dass bei einem ersten Eintreten des Laserstrahls in den zweiten Fügepartner (erste, vordere Schweißstelle) genügend Laserstrahlung in Wärme umgewandelt wird, um ein lokales Plastifizieren des Materials zu bewirken, zugleich aber genügend Laserstrahlung durch den zweiten Fügepartner/die erste Schweißstelle hindurchdringen kann, dass bei einem zweiten Eintreten des Laserstrahls in den zweiten Fügepartner, an einer dahinterliegenden Stelle (zweite, hintere Schweißstelle), genügend Energie absorbiert wird, um auch an dieser zweiten Eintrittsstelle das Material lokal zu plastifizieren. Dabei können vorteilhafter Weise die Laserleistung so hoch eingestellt und die Absorptionsrate entsprechend angepasst werden, dass auch eventuelle durch Streuungs- oder Reflexionsphänomene auftretende Verluste an Laserleistung nicht ins Gewicht fallen.
Das erfindungsgemäße Laserschweißverfahren hat den Vorteil, dass es genügt entweder den Laserstrahl oder die Fügezone während des Schweißvorgangs auf einer translatorischen Bahn zu führen. Dies erlaubt es, deutlich kürzere Verfahrenszeiten zu realisieren als sie mit üblichen Fertigungsmethoden für umfangsseitige Schweißungen erzielt werden könnten, da der Laser nicht die gesamte Umfangserstreckung einmal komplett abfahren/verschweißen muss und macht zudem rotierbare Werkzeuge für die Fügepartner oder komplexe Robotersysteme, zum Führen des Laserstrahls auf einer Bewegung mit Rotationskomponente, überflüssig.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, können mit einer einzigen Linearbewegung des Laserstrahls und/oder der Fügezone beide Fügepartner in ihrer ganzen Umfangserstreckung, insbesondere fluiddicht miteinander verschweißt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung, können der Laserstrahl und/oder die Fügezone während des Verschweißvorgangs geradlinig, insbesondere im Wesentlichen quer zur Axialrichtung der Fügepartner bzw. der Fügezone, geführt werden. Dies ermöglicht gegenüber einer allgemein translatorischen Bewegung eine noch weitere Vereinfachung der Führungskinematik von Laserstrahl und Fügezone bzw. Werkzeug. Zudem beschreibt eine gerade Strecke senkrecht zur Axialrichtung der Fügepartner den kürzesten Verfahrweg des Laseres, mit dem der komplette Querschnitt der Rohr-Rohr-Verbindung durchleuchtet werden kann, und optimiert damit die für den Verschweißvorgang erforderliche Zeit.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Laserstrahl während des Verschweißvorgangs so moduliert werden, dass der Strahl eine im Wesentlichen parallele/geradlinige Strahlenführung aufweist. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Lösungen ist es erfindungsgemäß nicht zielführend, den Laserstrahl nur auf die erste, vordere Schweißstelle zu fokussieren. Vielmehr sollte erfindungsgemäß versucht werden, die beiden in Laserstrahlrichtung grundsätzlich hintereinanderliegenden Schweißstellen in etwa gleichmäßig mit Energie zu versorgen, um sicherzustellen, dass beide Schweißstellen (gleichzeitig) ausreichend Energie zum Plastifizieren des Materials bereitgestellt bekommen, dabei aber an keiner der beiden Schweißstellen eine Materialschädigung/-zersetzung auftritt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Laserstrahl auch so moduliert werden, dass der Laser auf die zweite, in Laserstrahlrichtung hintere/abwärtige Schweißstelle etwas mehr fokussiert wird als auf die erste, in Laserstrahlrichtung vordere/aufwärtige Schweißstelle, insbesondere um so viel mehr, dass der Leistungsverlust durch Absorption in der ersten Schweißstelle im Wesentlichen ausgeglichen wird und eine in etwa gleiche Laser-Leistungsdichte in beiden Schweißstellen gleichzeitig bereitgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung kann die Transmissivität des zweiten, innenliegenden Fügepartners im Bereich zwischen 70% und 97,5% liegen, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 85% und 95%. Eine solche, vergleichsweise hohe Transmissivität bzw. vergleichsweise niedrige Absorptionsrate stellt sicher, dass genügend Energie an der zweiten, hinteren Schweißstelle ankommt, um auch diese im Schnittstellenbereich aufzuschmelzen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Laserleistung für das erfindungsgemäße Verfahren im Bereich von 50 bis 400 mW, besonders bevorzugt im Bereich von 150 bis 300 mW gewählt werden. Solche für den gewählten Anwendungsfall vergleichsweise hohe Laserleistungen sind stellen auch bei vergleichsweise geringen Absorptionsraten eine ausreichend hohe Temperatur an den Schweißstellen zur Verfügung, um das Material zuverlässig aufzuschmelzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die beiden Fügepartner in Radialrichtung elastisch sein. Insbesondere können beide Fügepartner als flexible/elastische Schäuche oder Balge ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform, kann erfindungsgemäß der Außendurchmesser des zweiten, im Bereich der Fügezone innenliegenden Fügepartners gegenüber dem Innendurchmesser des ersten, außenliegenden Fügepartners ein gewisses Übermaß aufweisen, so dass, in einem Zustand in dem der erste Fügepartner auf den zweiten Fügepartner aufgeschoben wird, durch die radial-elastischen Rückstellkräfte des Materials ein Rdial- Druck auf die Fügezone ausgeübt wird, der als Füge- bzw. Verdichtungsdruck während des Verschweißens dienen kann. Auf diese Weise lässt sich ohne zusätzliche Druckbeaufschlagunseinrichtungen die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung erhöhen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung, kann während des Verschweißvorgangs auch ein (gegenüber der Atmosphäre erhöhter Gas-)Druck im inneren Hohlvolumen, zumindest des zweiten (inneren) Fügepartners, erzeugt werden, so dass durch den beaufschlagenden Überdruck der zweite Fügepartner in seinem Durchmesser erweitert/gedehnt und gegen die Innenwandung/Lumen des ersten Fügepartners gepresst wird, um einen Fügedruck zur Verbesserung der Qualität der Schweißnaht bereitzustellen. Eine solche Ausführungsform ermöglicht es zum einen größere Fügekräfte gleichmäßig auf der gesamten Fügefläche aufzubringen und zum anderen eine präzise Steuerung des Fügedrucks zu gewährleisten.
Bevorzugt kann der beaufschlagte Innendruck dabei, gegenüber einem Umgebungsdruck, einen Überdruck im Bereich von 0,1 bis 0,5 bar, besonders bevorzugt von ca. 0,2 bar, erzeugen.
Beansprucht wird zudem gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung zum Laserschweißen von rohrförmigen Fügepartnern aus Kunststoff, insbesondere zum Laserschweißen mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte. Die Vorrichtung beinhaltet dabei eine Laserstrahlquelle, eine Laserstrahl- Führungs- und Formungseinrichtung (Laserschlitten auf Lauf-/Gleitschiene, Laser an Roboterarm, etc.) zur Formung und (geradlinigen) Führung eines Laserstrahls aus der Laserstrahlquelle und ein Werkzeug zum Handhaben, Verfahren, Positionieren und Fixieren, der beiden Fügepartner. Dabei beinhaltet die Vorrichtung optional eine Innendruck-Beaufschlagungseinrichtung (Pumpe), die dazu angepasst ist, insbesondere den zweiten, innenliegenden Fügepartner mit einem Innendruck zu beaufschlagen, um einen Fügedruck zur Verbesserung der Qualität der Schweißverbindung bereitzustellen.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen
1 einen Längsschnitt durch die beiden Fügepartner im Bereich der Fügezone vor dem Beginn des Verschweißvorgangs;
2 einen Querschnitt durch die beiden Fügepartner im Bereich der Fügezone vor dem Beginn des Verschweißvorgangs; und
3 beispielhafte Verläufe von Schweißnahten, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielt werden.
Gemäß der 1 wird zum Umsetzen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserverschweißen von zwei rohrförmigen Fügepartnern 2, 4 aus Kunststoff, zunächst ein erster rohr- bzw. schlauchförmiger Fügepartner 2 axial auf einen zweiten Fügepartner 4 aufgeschoben, bzw. wird an seiner axialen stirnseitigen Öffnung über die axiale Stirnseite des zweiten Fügepartners 4 gestülpt. Dabei ist der erste Fügepartner 2 in diesem Beispiel mit größerem Durchmesser, relativ zum zweiten Fügepartner, ausgebildet und der Bereich in dem sich die beiden Fügepartner 2, 4 axial überlappen bzw. in dem der erste Fügepartner 2 über den zweiten Fügepartner 4 gestülpt ist, bildet einen Fügebereich bzw. eine Fügezone 6, in welcher später die umfangsseitige Verschweißung der beiden Fügepartner stattfindet. In diesem Beispiel handelt es sich beim zweiten Fügepartner 4 um einen dünnen Schlauch, der für eine medizintechnische Anwendung mit einem dicken Schlauch 2 verbunden werden soll bzw. um z.B. eine Schlauch-/Balgverbindung für ein Koloskop bereit zu stellen.
In einem zweiten Verfahrensschritt werden die beiden Fügepartner mittels eines Laserstrahls L in ihrer kompletten Umfangserstreckung miteinander verschweißt. Dazu verfährt der Laserstrahl, in diesem Beispiel, in einer einzigen, geradlinigen Bewegung quer zur Axialrichtung A der Fügepartner bzw. in 1 in die Zeichenebene hinein und durchleuchtet/überstreicht dabei quasi einmal den gesamten kreisförmigen Querschnitt der Fügezone 6 (vgl. 2), um eine komplette kreisförmige Schlauch-/Rohrverbindung zwischen den Fügepartnern 2, 4 zu schaffen. Im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren von Schlauch-/Rohrverbindungen wird auf diese Weise die Kinematik der des Lasers bzw. der Fügepartner auf eine geradlinige Bewegung drastisch vereinfacht, da bei herkömmlichen Verfahren entweder die Fügepartner oder der Laser eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse A herum durchführen. Auch die für das Verschweißen benötigte Zeit kann auf diese Weise deutlich reduziert werden.
Um ein solches Linear-Laserschweißen zu ermöglichen, ist es eine Grundvoraussetzung, dass dazu kompatible bzw. thermodynamisch verträgliche Kunststoffe ausgewählt werden. Zudem ist es erfindungsgemäß nötig, die Material- Absorptionsraten sowie die Laserleistung entsprechend anzupassen. Dies kann über die Materialauswahl, aber auch durch Einfärben der Kunststoffe bzw. durch das Einbringen von absorptionsverbessernden Additiven beim Compoundieren bewerkstelligt werden. Dabei wird bei der gezeigten Ausführungsform für den ersten, äußeren Fügepartner ein transparentes Material bzw. ein Material mit nahezu 100% Transmissionsrate bezüglich der Wellenlänge(n) des eingesetzten Lasers gewählt, während für den zweiten Fügepartner in dasselbe Material ein Absorptionsverbesserndes Additiv eincompoundiert wird, so dass dieses eine Transmissionsrate von etwa 85% bis 95% und eine Absorptionsrate von etwa 5% bis 15% gegenüber dem eingesetzten Laser erhält.
Wird nun eine entsprechend hohe Laserleistung/-intensität gewählt, in diesem Beispiel eine Laserleistung von etwa 150 bis 300 mW, so kann der Laser L, dessen Strahlen in diesem Beispiel in etwa parallel/geradlinig orientiert sind, an einer ersten Schweißstelle 10, an welcher er zum ersten Mal in den zweiten Fügepartner 4 eintritt, das Material plastifizieren, wobei die Schmelze des zweiten Fügepartner 4 genug Wärme im Grenzbereich auf den ersten Fügepartner 2 überträgt, um auch diesen aufzuschmelzen, so dass eine stoffschlüssige Verbindung entstehen kann. Der Laserstrahl L tritt dabei, aufgrund der hohen Transmissionsrate des Materials des zweiten Fügepartners 4, mit genügend hoher Intensität aus der ersten Schweißstelle 10 wieder aus, um auch eine zweite Schweißstelle 12, an welcher der Laserstrahl zum zweiten Mal in den zweiten Fügepartner 4 eintritt, aufzuschmelzen. Somit reicht ein einmaliges lineares Abfahren des Fügezonenquerschnitts mit dem Laser, bei dem quasi zwei in Laserstrahlrichtung hintereinander angeordnete Schweißstellen parallel auf Halbkreisbahnen den kreisförmigen Querschnitt der Schnittstelle zwischen den Fügepartnern entlanggeführt werden, um eine Schweißnaht um den kompletten Umfang zu erzeugen. In der unteren Abbildung von 2 wird dieser Zusammenhang qualitativ in einem Schaubild dargestellt. Es ist zu sehen, dass der Laserstrahl bei jedem Durchlaufen einer Schweißstelle 10, 12 nur geringfügig an Intensität verliert, und die Gesamtintensität auch nach dem Austreten aus der zweiten Schweißstelle 12 deutlich über der zum aufschmelzen des Materials erforderlichen Grenzintensität IG liegt.
Zwar geht bei einem solchen Verfahren mehr Energie verloren als bei einem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Laserleistung auf eine einzige Schweißstelle fokussiert wird, welche dann einmal in Umfangsrichtung um die Fügezone 6 herumgeführt wird, jedoch hat sich das neue Verfahren aufgrund der schnelleren Fertigungszeiten dennoch als kosteneffizientere Variante herausgestellt.
Eine geradlinige Führung des Lasers L, senkrecht zur Rotationsachse A der Fügepartner 2, 4 stellt zwar die effizienteste und bevorzugte Variante dar, den Laserstrahl während des Schweißvorgangs zu führen, jedoch ist prinzipiell jede translatorische Schweißbewegung von Laser und/oder Fügestelle, bei der die beiden Fügepartner in ihrem Querschnitt komplett durchstrahlt werden, erfindungsgemäß denkbar. So zeigt z. B. 3 eine Ausführungsform mit bogenförmiger Schweißnaht S, bei der der Laser bogenförmig geführt wurde um in den Randbereichen, in denen der Laser nahezu tangential auf die Fügepartner 2, 4 trifft, die Schweißnaht S zu verstärken. Es ist auf 3 zudem gut zu erkennen, dass die Schweißnaht wulstartig die Grenzfläche zischen erstem und zweitem Fügepartner 2, 4 umläuft und das Material beider Fügepartner aufgeschmolzen wurde.
Vorzugsweise können die beiden Fügepartner 2, 4 im aufeinander geschobenen Zustand eine Art Presspassung bilden, so dass aus der internen radialen Elastizität des Materials heraus ein gewisser Fügedruck im Bereich der Fügezone entsteht, welcher die Fügepartner im Schnittstellenbereich in näheren Kontakt bringt und damit eine Durchmischung ihrer Schmelzen bzw. eine Interdiffusion der Makromoleküle zwischen den Fügepartnern über die Schnittstelle hinweg begünstigt und die Qualität der entstehenden stoffschlüssigen Verbindung erhöht.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Erfindung können die beiden Fügepartner 2, 4 mit einem Innendruck beaufschlagt werden, um einen höheren und genau einstellbaren Fügedruck während des Verschweißens bereitzustellen und damit eine weitere Verbesserung des der Verbindungsqualität zu erzielen.
Zu diesem Zweck kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Laserschweißen von rohrförmigen Fügepartnern aus Kunststoff (nicht dargestellt), neben einer Laserstrahlquelle, einer Laserstrahl-Führungs- und Formungseinrichtung, zur Formung und Führung eines Laserstrahls aus der Laserstrahlquelle, und eines Werkzeugs zum Handling der Fügepartner 2, 4; eine Innendruckbeaufschlagungseinrichtung zum Aufbringen eines Innendrucks auf zumindest den zweiten, innenliegenden Fügepartner aufweisen.
Zusammenfassend wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweißen zweier, schlauch- oder rohrförmig ausgebildeter Fügepartner aus Kunststoff vorgeschlagen. Dabei werden mit vergleichsweise hoher Laserleistung und auf Basis geeigneter Material-Absorptionsraten bzw. Transmissionsraten die Fügepartner mit einer (vorzugsweise einzigen) Linearbewegung des Laserstrahls in ihrer vollen Umfangserstreckung miteinander stoffschlüssig verbunden/verschweißt.
Bezugszeichenliste

2: erster Fügepartner
4: zweiter Fügepartner
6: Fügezone
8: Laserstrahl-Führungs- und Formungseinrichtung
10: Erste Schweißstelle
12: Zweite Schweißstelle
L: Laserstrahl
A: Rotationsachse
S: Schweißnaht
I: Intensität der Laserstrahlung
I_G: Grenzintensität zum plastifizieren des Materials
ẋ_L: Richtung der Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls
p₁: Innendruck
p_A: Außendruck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4432081 A1 [0003]
DE 102008038014 A1 [0004]
DE 102011081554 A1 [0004]
US 2010/0301022 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Laserschweißen von rohrförmigen Fügepartnern (2, 4) aus Kunststoff, bei dem – ein erster Fügepartner (2), welcher gegenüber einem Laserstrahl (L), zumindest im Bereich einer Fügezone (6), im Wesentlichen transparent ist, auf einen zweiten Fügepartner (4), welcher gegenüber dem Laserstrahl (L), zumindest im Bereich der Fügezone (6), teiltransparent ist, axial aufgeschoben wird, um die Fügezone (6) zu bilden und – die Fügezone (6) mittels des Laserstrahls verschweißt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung auf die Teiltransparenz des zweiten Fügepartners (4) oder umgekehrt so angepasst wird, dass durch eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung des Laserstrahls (L) vorzugsweise quer zur Fügezone (6) und/oder eine im Wesentlichen geradlinige Bewegung der Fügezone (6) vorzugsweise quer zum Laserstrahl (L) die beiden Fügepartner (2, 4) an in Laserstrahlrichtung beabstandeten Stellen gleichzeitig verschweißt werden, um so eine komplette Umfangsschweißung zwischen den beiden Fügepartnern (2, 4) bei einer einzigen Linearbewegung des Laserstrahls (L) und/oder der Fügepartner (2, 4) zu realisieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, mit einer einzigen Linearbewegung des Laserstrahls (L) und der Fügezone (6) relativ zueinander, die beiden Fügepartner (2, 4) im Bereich der Fügezone (6) in ihrer gesamten Umfangserstreckung, insbesondere fluiddicht, miteinander verschweißt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) und/oder die Fügezone (6) während des Verschweißvorgangs geradlinig, insbesondere im Wesentlichen quer zur Axialrichtung (A) der Fügezone (6), bewegt werden.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) während des Verschweißvorgangs so moduliert wird, dass eine im Wesentlichen parallele Strahlenführung erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmissivität des zweiten, innenliegenden Fügepartners (4) bezüglich des Laserstrahls (L) im Bereich von 70% bis 97,5%, insbesondere im Bereich von 85% bis 95% liegt.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserleistung im Bereich von 50 bis 400 mW, insbesondere im Bereich von 150 bis 300 mW, liegt.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügepartner (2, 4) in Radialrichtung elastisch sind.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des zweiten, innenliegenden Fügepartners (4) gegenüber dem Innendurchmesser des ersten, außenliegenden Fügepartners (2) mit einem Übermaß ausgebildet ist, sodass die radial-elastischen Rückstellkräfte des Materials, in einem Zustand in dem der erste Fügepartner (2) auf den zweiten Fügepartner (4) aufgeschoben ist, einen Fügedruck für den Verschweißvorgang bereitstellen.
Verfahren gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der zweite, innenliegende Fügepartner (4) mit einem Innendruck (P1) beaufschlagt wird, um während des Verschweißvorgangs einen Fügedruck auf die Fügezone (6) aufzubringen oder zu erhöhen.
Verfahren gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der beaufschlagte Innendruck (P1) im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 bar, vorzugsweise von 0,2 bar, liegt.
Vorrichtung zum Laserschweißen von rohrförmigen Fügepartnern (2, 4) aus Kunststoff, insbesondere zum Laserschweißen gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, umfassend – eine Laserstrahlquelle, – eine Laserstrahl-Führungs- und Formungseinrichtung zur Formung und Führung eines Laserstrahls aus der Laserstrahlquelle und – ein Werkzeug zum Handhaben und/oder Positionieren der Fügepartner relativ zueinander und zum Laserstrahl, gekennzeichnet durch – eine Innendruckbeaufschlagungseinrichtung zum Aufbringen eines Innendrucks auf zumindest den zweiten, innenliegenden Fügepartner (4).